移动电话用电池测试

【摘要】本文主要介绍了移动电话用电池的测试，通过本篇文章，可以对移动电话用电池有一个比较全面的了解。

【关键词】电池；锂离子电池；充电；放电

引言

随着移动电话应用范围越来越广，功能越来越强大，对具有良好适用性的电池的需求也应运而生。如何选择良好的移动电话用电池作为一部高品质的移动电话的附配件，同样是保证移动电话可靠性的重要著称部分。

1.电池基本介绍

1.1 电池的定义

电池是一种能量转化与储存的装置，它通过反应将化学能或物理能转化为电能。电池是一种化学电源，它由两种不同成分的电化学活性电极分别组成正负极，两电极浸泡在能提供媒体传导作用的电解质中，当连接在某一外部载体上时，通过转换其内部的化学能来提供能。

1.2 电池的分类

电池可以分类为一次电池和二次电池。一次电池的化学成分有Zn/NH4Cl，ZnCl2/MnO2、Zn/KOH/HgO、Zn/KOH/Ag2O，二次电池的化学成分有Pb/H2SO4/PbO2、Cd/KOH/NiOOH、Fe/KOH/NiOOH。

品种繁多的各种化学电池被广泛用于移动电话应用中，包括锂离子电池（Li-ion）、镍氢电池（NiMH）、镍镉电池（NiCd）和铅酸电池。在所有电池类型中，锂离子电池的能量密度最高，从而成为所有可再充电电池中最便于携带的电池。镍氢电池因为具有良好的安全性和环保性能，其应用也很普及。

1.3 电池的工作原理

手机锂电池主要由：上下盖、锂电芯和保护线路板（PCB）组成。有的电芯上有保险丝/可恢复保险丝；有的厂家还配置了NTC识别电阻、或充电电路等元件。而作为电池的重要组成部分的电池电芯主要由正极片、负极片、隔膜纸、盖帽、外壳、绝缘片和电解液组成。

1.4 聚合物锂离子电池

一般电池的主要构造包括正极、负极与电解质三项要素。按目前定义， 所谓聚合物锂离子电池是在这三种主要构造中至少有一项或一项以上使用高分子材料作为其主要基材的电池系统。聚合物锂离子电池采用软包装材料（铝泊）包装。目前世界上已量产的软包装电池按结构区分， 主要可分为两大类。

卷绕式：使用与液态锂离子电池生产一样的卷绕工艺，将正极、负极与电解质膜片卷绕起来，用包装铝泊包装。（ALB，液态系统软包装）

叠片式：使用热压工艺，将分切成一定形状与尺寸的正极、负极与电解质膜片热压在一起，用包装铝泊包装。（聚合物电池，图二）

聚合物锂离子电池在形状上可做到薄形化（最薄0.5毫米）、任意面积化和任意形状化，大大提高了电池造型设计的灵活性。工艺中没有多余的电解液，因此它更稳定，具有良好的环保特性，无泄漏、无重金属、无污染。具有较高的能量密度。可制造大容量单体电池以免除并联产生的影响。优异的安全特性，远优于传统的液态锂离子电池（不存在爆炸的危险）。

但由于聚合物锂离子电池采用软包装工艺， 对后续工序的加工要求及电芯的稳定性提出了更高的要求，容易由于后续工序（主要是PCM焊接、塑壳封装）的不良而损坏电芯， 导致电芯涨气。

随着聚合物锂离子电池越来越广泛被各种移动设备使用，如何界定聚合物锂离子电池的优劣日益重要。由于电池是一个平衡系统，不同的设备对电池的性能会有不同的需求，在电池设计时须根据不同的需要调整配方以满足一些特殊要求。

国家在移动电话用电池和充电器的测试上也出具了相关的国家和行业标准，作为测试工程师测试的依据和标准。具体可以参见标准《GB/T 18287-2000蜂窝电话用锂离子电池总规范》、《GB/T 18288-2000蜂窝电话用金属氢化物镍电池总规范》等。

2.电池充放电过程

2.1 充电概念介绍

充电或放电速率与电池容量有关。充电速率（即C倍率）即为充电或放电电流，定义为I=M ×CN。其中，I为充电或放电电流（安培），M为C的整数倍或分数倍，C为额定容量的数值（安培小时），N为定义C的时间（小时）。

一个放电速率为1C的电池会在1个小时内放完其标称额定容量。例如，如果额定容量为1000 mAh，放电速率为1C，则相应的放电电流为1000mA。类似地，如果放电速率为0.1C，则相应的放电电流为100mA。

2.2 首选的充电技术

锂离子化学电池采用恒定或受控制的电流和恒压充电算法，分成涓流充电、恒流充电、恒压充电和充电终止四个阶段（图三）。镍氢电池的首选充电算法由涓流充电、恒流充电、top-off充电和充电终止组成（图四）。

第一阶段：涓流充电。涓流充电为深度耗竭的电池恢复电荷。对于锂离子电池，当电池电压在大约3V以下时，电池就会以最大0.1C的恒定电流充电。对于镍氢电池，当每个电池的电压低于0.9V时便进入涓流充电状态。

第二阶段：恒流充电。对于锂离子电池和镍氢电池，当电池电压超过涓流充电阈值后，充电电流增加，进入恒流充电状态。恒流充电电流应在0.1C到0.2C的范围内。

第三阶段：恒压充电。此过程仅适用于锂离子电池。当电池电压上升到4.2V时，恒流充电结束并进入开始恒压充电状态。为获得最佳性能，电压调节容差应小于1%。

第四阶段：充电终止。不建议对锂离子电池继续进行涓流充电，而最好选择充电终止。对于镍氢电池，一定时间的涓流充电可确保达到100%的电池容量利用率。当一定时间的top-off加足充电过程完成后，就需要终止充电。

2.3 需系统考虑的因素

输入电源：许多应用使用非常便宜的墙上电源插座作为输入电源。其输出电压极大地取决于宽范围的交流输入电压以及从墙上电源汲取的负载电流。通过汽车电源适配器充电的许多应用也可能会遇到同样的问题。汽车电源适配器的输出电压范围一般为9V～18V。

输出电压调节精度：对锂离子电池而言，输出电压调节精度对实现电池容量利用率最大化非常关键。输出电压调节精度稍微降低一点，电池容量就会下降很多（图五）。但是，出于安全和可靠性考虑，不能设置一个任意高的输出电压。

充电终止的方法：过充是锂离子电池和镍氢电池致命的弱点。精确的充电终止方法对安全可靠的充电系统是必不可少的。

电池温度监视：可再充电电池的典型温度范围为0℃～45℃。在这个温度范围之外的温度下充电可能导致电池过热。在充电周期内，电池内部的压力会增加，从而引起电池膨胀。由于温度和压力是直接相关的，所以电池内部高压和高温的综合作用会导致电池发生机械性破裂或漏液。在0℃～45℃的温度范围之外进行充电也可能损坏电池的性能，或者缩短电池寿命。

“电池放电电流”或“反向漏电流”：在许多应用中，即使没有输入功率，充电系统仍然与电池保持连接。当没有输入功率时，充电系统可让电池的电流消耗减至最少。最大的电流消耗应小于几微安，理想情况下应小于1μA。

3.电池性能测试

3.1 电性能的测试_充放电性能

电池的充电测试：在环境温度20℃±5℃的条件下，以0.2C5A充电，当电池端电压达到充电制电压时（4.2V），改为恒压充电，直到充电电流小于或等于0.01C5A，停止充电。

电池的放电测试：在20℃±5℃的条件下 以0.2C5A放电到终止电压（3.0V）。

这里需要说明的是，不同的厂家可能有不同的充电截止电流与模式，部分厂家还可能测试GSM、CDMA模式下的放电容量。

3.2 电性能的测试_容量

额定容量：生产厂标明的电池容量指电池在环境温度为20℃±5℃条件下，以5h率放电至终止电压时所应提供的容量，用C5表示，单位为Ah（安培小时）或mAh（毫安小时）。

容量比率：电池在环境温度为20℃±5℃条件下，用不同倍率电流放电至终止电压时所应提供的不同容量的比值为容量比率（0.2C为100%）。

3.3 电性能的测试_电压/内阻

标称电压（Nominal Voltage），用以表示电池电压的近似值。终止电压（Cut-Off Voltage），规定充放电终止时电池的负载电压。内阻（Impedance），电芯在AC 1kHz下的阻抗。电池内阻主要由电芯内阻与保护板电阻组成，其中电芯内阻由三部分组成，即内部材料的欧姆电阻、离子扩散电阻和界面电阻。

正常使用时要求电阻越小越好，同时内阻与电池的性能息息相关，故可根据内阻的变化来评估电池性能有否发生变化。

3.4 电性能的测试_循环寿命

电池循环寿命是电池测试中非常重要的一项指标，循环寿命的好坏直接影响到用户电池实际使用的长短。因此在国标中要求，在环境温度20℃±5℃的条件下，以1C5A充电，当电池端电压达到充电限制电压时，改为恒压充电，直到充电电流小于或等于20mA，停止充电。搁置0.5h～1h，然后以1C5A电流放电至终止电压，放电结束后，搁置0.5h～1h，再进行下一个充放电循环，直至连续两次放电时间小于36min（60%），则认为寿命终止。

经过以上循环充放电测试，电池必须达到300次循环，则才定义该块电池是循环寿命合格的电池。不同厂商会根据具体情况定义不同的测试要求，如模拟具体的充电器与手机的用电状态，在循环测试过程中采用0.7C充电，0.5C或0.2C放电，并将相应的要求提高。如400次循环，容量剩80%以上等等。

3.5 环境适应能力_高温性能/低温性能

高温性能：电池充电结束后，将电池放入55℃±2℃的高温箱中恒温2h， 然后以1C5A电流放电至终止电压。该试验结束后，将电池取出在环境温度20℃±5℃的条件下搁置2h，然后目测电池外观。电池放电时间应不低于51min（85%），电池外观应无变形、无爆裂。

低温性能：电池充电结束后，将电池放入-10℃±2℃的低温箱中恒温16h～24h后，以0.2C5A电流放电至终止电压。该试验结束后，将电池取出在环境温度20℃±5℃的条件下搁置2h，然后目测电池外观。电池放电时间应不低于3.5h（70%），电池外观应无变形、无爆裂。

电池的高低温性能跟电芯的材料，配方及结构有很大的关系，可通过对电芯内部的传导率的调整来满足一些特殊环境温度使用的要求。

3.6 环境适应能力_振动

电池充电结束后，将电池直接安装或通过夹具安装在振动台的台面上，按下面的振动频率和对应的振幅调整好试验设备，X、Y、Z三个方和每个方向上从10Hz～55Hz循环扫频振动30min，扫频速率为1oct/min；

振动频率：10Hz～30Hz 位移幅值（单振幅）：0.38min

振动频率：30Hz～55Hz 位移幅值（单振幅）：0.19min

试验后，电池外观应无明显损伤、漏液、冒烟或爆炸，电池电压应不3.6V。

3.7 环境适应能力_恒定湿热

电池充电结束后，将电池放入40℃±2℃，相对湿度为90%～95%的恒温恒湿箱中搁置48h后，将电池取出在环境温度20℃±5℃的条件下搁置2h，目测电池外观；再以电流放电至终止电压。

试验后，电池外观应无明显变形、锈蚀、冒烟或爆炸，放电时间应不低于36min。

3.8 环境适应能力_碰撞

电池充电结束后，将电池平均按X、Y、Z三个互相垂直轴向直接或通过夹具坚固在台面上，按下述要求调好加速度、脉冲持续时间，进行碰撞试验。

脉冲峰值加速度100m/s2，每分钟碰撞次数40～80，脉冲持续时间16ms，碰撞次数 1000±10。

试验后，电池外观应无明显损伤、漏液、冒烟或爆炸，电池电压应不低于3.6V。

3.9 环境适应能力_跌落

电池充电结束后，将电池样品由高度（最低点高度）为1000mm的位置自由跌落到置于水泥地面上的18mm～20mm厚的硬木板上，从X、Y、Z正负方向（六个方向）每个方向自由跌落1次。

自由跌落结束后，将电池以1C5A电流放电至终止电压。试验后，电池应不漏液、不冒烟、不爆炸，能插入设备，锁扣可靠；放电时间应不低于51 min。（针对包装后的成品电池）

3.10 安全保护性能

电池必须安全保护性能，即过充电保护、过放电保护以及短路保护。

过充电保护：电池充电结束后，用恒流恒压源持续给电池加载8h，恒流恒压源电压设定为2倍标称电压，电流设定为2C5A的外接电流。电池应不爆炸、不起火、不冒烟或漏液。（针对带保护板的电池）

过放电保护：电池在环境温度20℃±5℃条件下，以0.2C5A放电至终止电压后，外接（30×n）Ω负载放电24h。电池应不爆炸、不起火、不冒烟或漏。（针对带保护板的电池）

短路保护：电池充电之后，将正负极用0.1Ω电阻器短路1h。电池应不爆炸、不起火、不冒烟或漏液；将正负极断开，电池以1C5A电流瞬时充电5s后用电压表测量电池电压。瞬时充电后，电池电压应不小于n×3.6V。（针对带保护板的电池）

而针对电芯的安全性能，目前较多采用美国的UL1642安全标准进行测试与论证，其主要包括：Short Circuit/Heating /Abnormal Changing/force Discharge/ Crush/ Impact/ Shock/ Vibration/ Humidity/ Drop/ Temperature Cycling/Low Pressure （Altitude simulation） 等12项常规测试。必须注意的是使用的电芯必须通过安全性能测试。

3.11 存储性能

存储性能主要包括，荷电保持能力、高温高湿存储能力和高温存储能力。

荷电保护能力：电池充电结束后，在环境温度为10℃±2℃的条件下，将电池开路搁置28d，再以0.2C5A电流放电至终止电压，放电时间应不低于4.25h（85%）。

高温高湿存储能力：电池在充满电后， 置于65℃，95%RH的环境中48小时，取出后在常温下静置2小时，再以0.2C5A电流放电至终止电压。对比前后的容量、内阻及外观。电芯厚度增加应小于10%，内阻增加应小于10%，放电时间应不低于4.5h。电芯应不爆炸、不起火、不冒烟、漏液或气涨。

高温存储能力：电池在充满电后，置于85C的环境中4小时，取出后在常温下静置2小时，再以0.2C5A电流放电至终止电压。对比前后的容量、内阻及外观。电芯厚度增加应小于10%，内阻增加应小于10%，放电时间应不低于4.5h。电芯应不爆炸、不起火、不冒烟、漏液或气涨。

4.总结

随着移动电话设计在外形上越来越趋向于超薄、轻巧，在功能上越来越智能化等需求，对于给移动电话供电的电池来说，也面临着严重的考验。如何研究出新型的电池能够提供移动电话以上需求已经是刻不容缓的问题。因此，在我们的电池认证测试方面，相信也会面临更多的测试手段和测试平台，会在不远的将来实现。

参考文献

[1]GB/T 18287-2000蜂窝电话用锂离子电池总规范.

[2]GB/T 18288-2000蜂窝电话用金属氢化物镍电池总规范.